(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック材料で構成された絶縁基板の一方の面に、銅材料で構成された電極が設けられた回路基板と、
前記電極に焼結性銀粒子接合材を用いて接合された半導体素子と、を備え、
前記電極は、前記半導体素子との接合面から前記絶縁基板に向かう５０μｍの深さまでの部分が、ビッカース硬さ７０ＨＶ以上の硬度を有し、かつ、前記絶縁基板側の部分のビッカース硬さが５０ＨＶ以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記接合面から前記絶縁基板に向かう５０μｍの深さまでの部分が、ビッカース硬さ１００ＨＶ以上の硬度を有していることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記接合面から前記絶縁基板に向かう５０μｍの深さまでの部分が、めっきにより形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記半導体素子は電力用半導体素子であり、
前記電極は１５０μｍ以上の厚みを有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記電力用半導体素子がワイドバンドギャップ半導体材料で形成されていることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記ワイドバンドギャップ半導体材料は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料、ガリウムヒ素、およびダイヤモンドのうちのいずれかであることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
セラミック材料で構成された絶縁基板の少なくとも一方の面の所定範囲に、スパッタにより金属薄膜を形成する工程と、
前記金属薄膜上に、ビッカース硬度が５０ＨＶ以下となるように第１の銅のめっき層を形成する工程と、
前記第１の銅のめっき層の上に、５０μｍ以上の厚みで、ビッカース硬度が７０ＨＶ以上となるように第２の銅のめっき層を形成し、半導体素子との接合面を有する電極を形成する工程と、
前記電極の接合面に、焼結性銀粒子接合材を用いて前記半導体素子を接合する工程と、
を含む半導体装置の製造方法。
【請求項８】
セラミック材料で構成された絶縁基板の少なくとも一方の面に、少なくとも前記絶縁基板側の部分の接合後のビッカース硬度が５０ＨＶ以下となるように、所定形状の銅板を接合する工程と、
前記絶縁基板に接合された銅板の表面に銅めっきを行い、５０μｍ以上の厚みでビッカース硬度が７０ＨＶ以上となるように半導体素子との接合面を有する電極を形成する工程と、
前記電極の接合面に、焼結性銀粒子接合材を用いて前記半導体素子を接合する工程と、
を含む半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記形成した電極の厚みが１５０μｍ以上であることを特徴とする請求項７または８に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温動作する半導体素子を搭載する回路基板を用いた半導体装置、およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン電力用半導体素子を搭載する基板として、例えば、特許文献１に示されるように、窒化アルミニウム焼結体、窒化ケイ素焼結体などからなるセラミックス基板に銅や銅合金などからなる金属板をろう付けによって接合した回路基板が知られている。特許文献１では、セラミックス基板と金属板との熱膨張差に起因する基板のクラックの発生を防止するため、接合後の金属板のビッカース硬度を６０以上としている。【０００３】
インバーターなどの電力用半導体装置に使用されるスイッチング素子（ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等）や整流素子などの電力用半導体素子では、電力損失を低減する必要があり、近年、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウムのようなワイドバンドギャップ半導体を用いた電力用半導体素子が開発されている。ワイドギャップ半導体素子の場合、素子自身の耐熱性が高く、大電流による高温動作が可能であるが、その特性を発揮するためには、電力用半導体素子と回路基板とが強固に接合されていなければならない。【０００４】
この接合において、はんだやろう材を接合材に用いた場合、動作温度以上の温度で接合する必要があり、高温動作が想定されるワイドバンドギャップ半導体を用いた電力用半導体装置への適用は困難であった。そこで、バルク金属の融点よりも低い温度で焼結し、焼結後はバルクの融点まで耐えられる金属ナノ粒子が高温動作用の接合材として適用されるようになってきた。例えば、特許文献２には、ＳｉＣ半導体を基板の電極に接合する際に金、銀、銅などの５０ｎｍ以下の金属ナノ粒子を用いることが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−１０２５７０号公報（段落００２６〜００４２、図１、図２）
【特許文献２】国際公開番号ＷＯ２００９／１５７１６０Ａ１（段落００３８〜００５０、図１、図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ワイドバンドギャップ半導体を用いた電力用半導体素子の大電流による高温動作を考慮した場合、回路基板に形成する電極には厚肉の銅材を用いることが適当である。また、銅材と半導体素子とを接合する接合材としてナノ銀粒子を用いて、銀で接合することが適当である。このような観点で検討を進めていくうちに、銀接合の熱サイクル試験での密着性が回路基板の電極の硬度に依存することを見出した。そして、特許文献１に示されているように、厚肉の銅板を回路基板に接合して電極を形成した場合、銅の硬度が低下して、発明者らが見出した必要な硬度を維持することができず、接合強度にばらつきが出て、信頼性の高い接合、ひいては寿命信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができなかった。【０００７】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、高温動作した場合にも、半導体素子との接合を長期間維持できる半導体装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明にかかる半導体装置は、セラミック材料で構成された絶縁基板の一方の面に、銅材料で構成された電極が設けられた回路基板と、前記電極に焼結性銀粒子接合材を用いて接合された半導体素子と、を備え、前記電極は、前記半導体素子との接合面から前記絶縁基板に向かう５０μｍの深さまでの部分が、ビッカース硬さ７０ＨＶ以上の硬度を有し、かつ、前記絶縁基板側の部分のビッカース硬さが５０ＨＶ以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、電極の半導体素子との接合面から所定深さまでの範囲をビッカース硬さ７０ＨＶ以上の硬度にし、かつ、絶縁基板側をビッカース硬さ５０ＨＶ以下の硬度にしたので、高温動作した場合にも、半導体素子と回路基板との接合を長期間維持できる半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための部分断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかる回路基板の製造方法を説明するための断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の接合信頼性を説明するための、実施例と比較例の寿命試験前後での断面の状態を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の接合信頼性を説明するための、銅電極の表面硬度と密着強度との関係を示すグラフである。
【図６】本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置、および電力用半導体装置に用いる回路基板について、図に基づいて説明する。図１〜図５は、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置と回路基板について説明するためのもので、図１は電力用半導体装置の部分断面図、図２は回路基板の製造方法を説明するためのもので、図２（ａ）〜図２（ｃ）は、各工程における断面図である。図３は電力用半導体装置の製造方法のうちの、回路基板に電力用半導体素子を接合する方法を説明するためのもので、図３（ａ）〜図３（ｃ）は、各行程中の状態を示し、図３（ａ）は上面を、図３（ｂ）と図３（ｃ）は断面を示す。そして、図４は本実施の形態にかかる電力用半導体装置の接合信頼性を説明するためのもので、図４（ａ１）と図４（ａ２）は実施例として作成した回路基板と半導体素子との接合体の寿命試験前後の断面図、図４（ｂ１）と図４（ｂ２）は比較例として作成した回路基板と半導体素子との接合体の寿命試験前後の断面図である。また、図５は本実施の形態にかかる電力用半導体装置の接合信頼性を説明するためのもので、銅電極の表面硬度と密着強度との関係を示すグラフである。
【００１２】
図１に示すように、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置は、回路基板２の一方の面にベース板３が、もう一方の面に電力用半導体素子１が接合され、さらに電力用半導体素子１の回路基板２との接合面ＰＢの反対側にリード板６が接合されているものである。図中、回路基板２とベース板３の両端側、リード板６の一端側は記載を省略している。以下詳細に説明する。
【００１３】
＜半導体素子＞
電力用半導体素子も制御用半導体素子も原理的には同じ半導体素子である。しかし、電力用半導体素子の場合、主電流、つまり、大電流を流すために、必要とされる回路基板の仕様（電極の導電性や放熱性）が異なる。そのために、背景技術で説明したような課題が生じる。そこで、本発明の各実施の形態では、半導体素子には、主電力を制御する電力用半導体素子を用いることとする。
【００１４】
電力用半導体素子１は半導体チップ（半導体基板）１１の一方の面に金属シリサイド１２、第１金属層（Ｎｉ）１３及び、第２金属層（Ａｕ）１４を順に積層して構成している。また、他方の面にはニッケル（Ｎｉ）や金（Ａｕ）などの金属膜１５が形成されている。電力用半導体素子１として、たとえば、ワイドバンドギャップ半導体材料である厚さ５００μｍの炭化珪素を基板とするものを使用している。電力用半導体素子１としては、整流素子として機能するダイオードやスイッチング素子として機能するＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）等が適用でき、金属層は所定の回路パターンに形成されてもよい。半導体材料や金属層などの構造や材料はこれに限定されることはなく、電力用半導体素子１の大きさも、特に限定されることはなく、適宜調整すればよい。ただし、後述するように、本実施の形態にかかる電力用半導体装置としての効果を発揮する好適な選択としては、大電流を扱い、高温動作するワイドバンドギャップ半導体をあげることができる。
【００１５】
＜回路基板＞
電極付絶縁基板である回路基板２は絶縁基板（窒化珪素）２１の両面に、スパッタ膜（Ｃｕ）２２ａ、２２ｂ（まとめて金属薄膜２２）、厚さ５００μｍのめっき電極（Ｃｕ）２３ａ、２３ｂ（まとめて銅めっき電極２３）をそれぞれ順に積層するように形成したものである。この銅めっき電極２３は、それぞれ厚みが１５０μｍ〜５００μｍの範囲を好適範囲として、本実施の形態では５００μｍに設定し、少なくとも電力用半導体素子１との接合面ＰＢ側の銅めっき電極２３ａについては、ビッカース硬さが７０ＨＶ以上になるようにしている。また、回路基板２には、窒化珪素に限らず、アルミナ、窒化アルミニウムなどを絶縁基板２１として用いることができる。発熱量の大きな電力用半導体装置全体の放熱の観点から、熱伝導率２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の材料を用いることが望ましく、熱伝導率７０Ｗ／ｍ・Ｋ上の材料がさらに望ましい。
【００１６】
＜接合材＞
電力用半導体素子１と回路基板２とは焼結銀接合層４によって接合される。焼結銀接合層４は、銀微粒子を有機基剤中に懸濁させてペースト状にした焼結性銀粒子接合材（銀ナノペースト）を加熱することにより、有機物で覆われていた銀微粒子表面が互いに接触することで、銀の融点よりも低い温度で焼結することにより形成される。
【００１７】
＜電力用半導体装置＞
銀ナノペーストで電力用半導体素子１を回路基板２の一方の面（図では２３ａ側）に接合した後、他方の面（同じく、２３ｂ側）のめっき電極（Ｃｕ）２３ｂには、はんだ等の接合材５を用いてベース板（Ｃｕ等）３を接合する。さらに、電力用半導体素子１の回路基板２に対向する面に対して反対側の面（能動面）に形成された金属膜１５（素子電極）には、はんだ等の接合材７を用いてリード板６が接合され、電気配線上は電力用半導体装置が完成する。その後、一般的に用いられる封止技術により樹脂等でパッケージングされる。
【００１８】
つぎに、電力用半導体素子１の製造方法について簡単に説明する。直径数インチの炭化珪素基板１１を用意する。この炭化珪素基板１１の少なくとも片面に、外部との電気接続を行うリード板６との接合のため、素子電極として機能するニッケル、金などの金属膜１５をスパッタリング法等公知の方法によって形成する。形成する金属膜１５の厚さは、特に限定されることはなく、製造される電力用半導体素子の大きさに合わせて、適宜調整すればよいが、一般的に、１０ｎｍから２０００ｎｍ以下である。なお、この金属膜１５については、回路基板２との接合の説明に不要なため、以降の図では記載を省略する。
【００１９】
そして、炭化珪素基板１１の金属膜１５を形成した面の反対面側、つまり、回路基板２と接合する側の面に、金属シリサイド１２を形成するための金属層として、厚さ５０ｎｍのニッケル層を形成し、その後真空雰囲気下で８００℃、１時間の熱処理を行うことにより、厚さ５０ｎｍ程度の金属シリサイド１２としてニッケルシリサイド層を形成する。さらに、スパッタリング法を用いて、金属シリサイド１２の表面に、第１金属層１３として厚さ２００ｎｍのニッケル層、ニッケル層表面に第２金属層１４として厚さ２００ｎｍの金層を順次形成した。この後、ダイシングで５．０ｍｍ角サイズに切断し、洗浄したものを、電力用半導体素子１として用いた。
【００２０】
回路基板２の製造方法について図２を用いて説明する。図２（ａ）に示すように、２０ｍｍ角（２０ｍｍ平方）、厚さ１．０ｍｍの窒化珪素からなる絶縁基板２１の両面の、それぞれ１８ｍｍ角（１８ｍｍ平方）の範囲に、銅スパッタ処理により、厚さ２００ｎｍの金属薄膜２２を形成する。そして、図２（ｂ）に示すように、形成した金属薄膜２２上に、約６００μｍ厚の銅めっき層２３ａＣ、２３ｂＣ（まとめて銅めっき層２３Ｃ）を形成する。銅めっき層２３Ｃを厚く形成すると、一般的に厚みむらが生じるため、図２（ｃ）に示すように、表面を機械研磨して、均一な厚みの５００μｍ厚の銅めっき電極２３を形成する。
【００２１】
銅めっき電極２３の厚みは、１５０μｍ〜５００μｍの範囲が好適である。銅めっき電極２３の厚み（厳密には導電部材としての厚み）を１５０μｍ以上に保つことにより、大電流に伴って発生する熱を効率よく放熱することができる。また、５００μｍよりも厚くしても機能的にはかまわないが、本実施の形態のようにめっきで全厚みを形成する場合、材料や工程等の関係から５００μｍ以内に抑えることが望ましい。そして、銅めっき電極２３のうち、銀の焼結接合層４により電力用半導体素子１と接合される電極として機能する少なくとも銅めっき電極２３ａ部分については、７０ＨＶ以上の硬度を保つ必要がある。ただし、銅めっき電極２３ａの硬度は厚み方向で全層が均一である必要はないが、電力用半導体素子１に近い側の５０μｍ以上の厚み部分が硬度７０ＨＶ以上に保たれる必要がある。なお、後述するように、実効上は７０ＨＶ以上で十分であるが、製作精度の観点から、マージンをとって、硬度を１００ＨＶ以上に保つことが望ましい。
【００２２】
銅めっき層２３Ｃを形成する際のめっき浴は、硫酸銅と硫酸から構成されるＰＨ１．０のハイスロー浴を用いた。そして、直流電源（北斗電工：電気化学測定システムＨＺ−５０００）を用い、電流密度１．０Ａ／ｄｍ2、浴温２５℃の条件で、定電流電解法により銅めっき層２３Ｃを形成した。また、この銅めっき層２３Ｃの硬度を上げるためには、メッキ液にチオ尿素誘導体等の硬質化剤を加えることが望ましい。７０ＨＶ以上の硬度が得られる上述しためっき浴に限らず、ピロリン酸銅、ホウフッ化銅、シアン化銅などの浴を用いてもよい。
【００２３】
上記のように形成した回路基板２に電力用半導体素子１を接合する方法について図３を用いて説明する。なお、図中、回路基板２のうち、絶縁基板２１よりベース板３側の部分については記載を省略する。
図３（ａ）に示すように、銅めっき電極２３ａの表面に、６ｍｍ角の開口ＯM4で、厚さ０．２ｍｍのステンレスマスクＭ４を用いて、開口部分ＯM4に焼結性銀粒子接合材である銀ナノペースト４Ｐを印刷する。そして、図３（ｂ）に示すように、印刷した銀ナノペースト４Ｐの表面に、位置を合わせて電力用半導体素子１を載置して、仮接合体となす。つぎに、仮接合体に１００℃、１０ｍｉｎ間のプリヒート処理を行った後、５ＭＰａの加圧をしながら、３５０℃まで昇温する。３５０℃に到達してから、５分間保持することにより、銀ナノペーストが含有する銀ナノ粒子（微粒子）の表面を覆っていた有機物が分解され、露出した微粒子同士が焼結し、図３（ｃ）に示すように銀の焼結接合層４が形成される。その後、空冷させることにより、回路基板２と電力用半導体素子１との接合体を得た。その後、上述したようにベース板３やリード板６をさらに接合することにより、電力用半導体装置を得ることができる。銀ナノペースト４Ｐとしては、例えば、ＤＯＷＡ社製造Ｔ２Ｗ−Ａ２を用いることができる。上記加熱接合は、接合装置（アスリートＦＡ：加熱圧着ユニット）を用いて行った。
【００２４】
次に、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置における電力用半導体素子１と回路基板２との接合信頼性を評価するため、本実施の形態に準じた接合体のサンプル（実施例）と、従来の回路基板に相当する接合体（比較例）のサンプルで密着強度を比較する実験を行った。
【００２５】
＜比較サンプル＞
比較例のサンプル（接合体）は、以下の方法で作成した。
半導体素子は、本実施の形態１で使用した電力用半導体素子１と同じ方法で作製した。回路基板としては、図４（ｂ１）に示すように、２０ｍｍ角、厚さ１．０ｍｍの窒化珪素からなる絶縁基板２１の両面（図３と同様に電力用半導体素子との接合面ＰＢと反対側の部分は記載を省略）に、１８ｍｍ角、厚さ５００μｍの銅板２５を、ろう材２４で接合したものを使用した。接合方法（接合体の製造方法）は、本実施の形態１と同様である。実施例サンプルとして３個（ＳＥ１−１〜ＳＥ１−３）、および比較例サンプルとして３個（ＳＣ１−１〜ＳＣ１−３）ずつ作製した。
【００２６】
＜密着強度比較試験＞
このように構成された接合体のサンプルを、ヒートショック試験機（エスペック社：冷熱衝撃試験機ＴＳＡ−１０１Ｓ−Ｗ）に投入し、処理条件は−４０℃〜２００℃（１サイクル−４０℃：３０分保持／２００℃：３０分保持）で行った。２００サイクルごとにシェア測定器（Ｄａｇｅ社：シェア測定器ＨＳ４０００）による密着強度測定を行った。密着強度判定は、３０ｋｇｆ／チップ以上かけてもはがれない場合を密着性異常なしとし、３０ｋｇｆ／チップ未満ではがれた場合を強度低下有りとした。なお、ビッカース硬さ試験器（ミツトヨ：ＭＶＫ−Ｈ２）を用い、実施例の銅めっき電極２３ａと、比較例の銅板電極２５ａの表面の硬度を測定荷重１００ｇ、測定時間１０秒の条件で測定した。接合前における実施例サンプルの銅めっき電極２３ａの硬度は７０ＨＶ、比較例サンプルの銅板電極２５ａの硬度は３０ＨＶであった。
【００２７】
表１に、密着強度比較試験結果を示す。表中、○は密着性異常なし、×は強度低下有りを示す。
【００２８】
【表１】
0005627789.tif 000002
【００２９】
表１に示すように、本実施例の銅めっき電極２３ａを有するサンプルでは、１０００サイクル経過しても、密着性異常が発生せず、密着強度低下が見られなかった。一方、比較例のろう付けした銅板電極２５ａを有するサンプルでは、４００サイクルまでに密着性異常が発生し、密着強度が低下していることが確認できた。
【００３０】
上記密着強度比較試験後における実施例サンプルと比較例サンプルの状態を比較するため、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡（日本電子：ＪＸＡ−８５３０Ｆ））を用いてそれぞれの断面を観察した。図４（ａ１）、（ａ２）は、実施例サンプルにおけるサイクル前と１０００サイクル経過後の断面状態、図４（ｂ１）、（ｂ２）は、比較例サンプルにおけるサイクル前と４００サイクル経過後の断面状態を模式的に示したものである。図４（ａ１）、（ａ２）に示すように、実施例サンプルの断面観察を行ったところ、銅めっき電極２３ａの電力用半導体素子１との接合面ＰＢには、粒界すべりは認められず、接合部である焼結銀接合層４内にも縦割れは見られなかった。一方、図４（ｂ１）、（ｂ２）に示すように、比較例サンプルで、４００サイクル経過後に密着強度が低下した接合体の断面観察では、銅板電極２５ａの電力用半導体素子１との接合面ＰＢには、粒界すべりがあり、これを起点として、焼結銀接合層４内に縦割れＣＶを起こしていた。
【００３１】
ここで、実施例サンプルの銅電極は、めっきにより形成した銅めっき電極２３なので、ろう付けなどの熱処理を必要とせず、その後の電力用半導体素子１との接合においても、銅が通常焼きなましされる焼鈍温度（４００℃以上）を超えることがない。そのため、高い硬度（７０ＨＶ以上）を保つことができる。一方、比較例サンプルの銅電極は、ろう付けした銅板電極２５ａであり、電極表面の硬度は３０ＨＶと軟化しており、電力用半導体素子１との接合においてその硬度が上がることは考えられない。
【００３２】
つまり、実施例サンプルでは、銅電極の硬度が高いために、冷熱衝撃試験による電極の粒界すべりを抑制し、これに伴う焼結銀接合層４の縦割れ発生を抑え、一方、比較例サンプルでは、銅電極の硬度が低いために、電極の粒界すべりを抑制することができず、粒界すべりに伴う焼結銀接合層４の縦割れ発生により、密着強度低下を生じたものと考えられる。つまり、実施例と比較例の密着強度の差は、銅電極の硬度の違いにより生じたものと考えられる。
【００３３】
そこで、この考え方を検証するため、同じめっき電極で、硬度のみを変化させた電極を作成し、硬度と密着強度との関係について試験を行った。
めっき電極は、密着強度比較試験における実施例サンプル（ＳＥ１−１〜１−３）と同様に、約６００μｍ厚にまでめっき後、機械研磨により５００μｍの厚さに削って形成した。研磨直後の硬度は１２０ＨＶ以上であったが、予め窒素雰囲気下で熱処理することで２０〜１２０ＨＶの範囲内で調整した。そして、硬度を調整した電極に対して、密着強度比較試験と同様に電力用半導体素子を接合し、−４０℃〜２００℃の冷熱衝撃試験を行い、４００サイクルを経過後に密着強度を測定した。
【００３４】
図５は、銅電極の表面硬度と密着強度との関係を示すもので、横軸が銅電極の表面硬度、縦軸が密着強度を示す。図に示すように、銅電極の表面硬度が、６０ＨＶ〜７０ＨＶの範囲で、表面硬度の増大に伴って密着強度が急激に増大し、７０ＨＶ以上になると１００ｋｇｆ／チップ以上の密着強度を安定して示している。つまり、密着強度は、めっきか、銅板のろう付けかという製造方法ではなく、最終的な電極の表面硬度に依存し、７０ＨＶ以上を保つことで密着強度を強固に保つことができることがわかった。一方、製造上のばらつきを考慮すると、マージンを確保する観点から、めっき電極表面硬度は、１００ＨＶ以上にすることが望ましいことがわかった。
【００３５】
また、密着強度の高い、硬度が７０ＨＶの銅電極について、ＳＥＭで銅結晶の状態を観察したところ、粒径のほとんどが１〜１０μｍの範囲内に収まっており、それらの平均結晶粒径は１０μｍ以下であった。一方、硬度が３０ＨＶ以下の電極ではほとんどの粒子の粒径が５０μｍ以上であった。従って、電極の状態を平均結晶粒径で管理する場合、平均結晶粒径を１０μｍ以下とすることが望ましいと考えられる。また、平均結晶粒径が小さいほど硬度が高い傾向があるので、平均結晶粒径を５μｍ以下とするとさらに望ましいと考えられる。
【００３６】
なお、本実施の形態１においては、回路基板２には、両面に銅めっき電極２３ａ、２３ｂを形成した例について説明したが、これに限ることはない。上述した焼結銀接合層４との接合強度を必要とする面が、電力用半導体素子１との接合面ＰＢのみの場合、電力用半導体素子１と接合する面の電極のみめっきで形成するようにしてもよい。ただし、本実施の形態１においては、回路基板２の両面に銅めっき電極２３を設けたので、図１に示すように、電力用半導体素子１と反対側にベース板３（ヒートブロックなどでもよい）を接合する際も密着強度を高めることができる。また、銅めっき電極２３は純粋な銅であることが望ましいが、少量の他の元素などが添加された合金などとしてもよい。また、本実施の形態では、めっきで形成することにより、所定の硬度（例えば７０ＨＶ以上）を有するようにしたが、所定の硬度が得られるのであれば、めっき以外で形成してもよい。
【００３７】
以上のように、本実施の形態１にかかる回路基板２によれば、焼結性銀粒子接合材４Ｐを用いた（または、焼結銀接合層４を介した）電力用半導体素子１との接合面ＰＢを有する回路基板２であって、絶縁基板２１と、絶縁基板２１の一方の面に設けられ、当該面と同じ向きに接合面ＰＢが形成された電極である銅めっき電極２３ａと、を備え、銅めっき電極２３ａは１５０μｍ以上の厚みを有し、ビッカース硬さ７０ＨＶ以上の硬度を有しているように構成したので、電力用半導体素子１の動作に必要な大電流の導通および動作に伴い発生した熱の伝熱が確保できるとともに、高温動作した場合にも、銅めっき電極２３ａの焼結銀接合層４との界面部分の粒界すべりを抑制して、電力用半導体素子１と回路基板２との接合を長期間維持することができる。
【００３８】
なお、１００ＨＶ以上とすると、マージンが確保できるので、製造上のばらつきがあっても確実に接合を強固にすることができる。
【００３９】
また、電極を銅めっきにより形成するようにしたので、電極の硬度を容易に所定以上に調整することができる。
【００４０】
また、本実施の形態１にかかる回路基板２の製造方法によれば、絶縁基板２１の少なくとも一方の面（電力用半導体素子１を接合する側の面）の所定範囲（パターン）に、スパッタにより金属薄膜２２ａとして銅スパッタ膜を形成する工程と、金属薄膜２２ａ上に、１５０μｍより厚い銅のめっき層２３ａＣを形成する工程と、めっき層２３ａＣの表面を研磨して、電力用半導体素子１との接合面ＰＢを形成する工程と、を含むようにしたので、所望厚みで所定硬度を保つ銅の電極を容易に形成することができる。
【００４１】
また、本実施の形態１にかかる電力用半導体装置によれば、上述した回路基板２と、回路基板２の電極（銅めっき電極２３ａ）の接合面ＰＢに焼結性銀粒子接合材４Ｐを介して接合された電力用半導体素子１と、を備えるように構成したので、電力用半導体素子１の動作に必要な大電流の導通および動作に伴い発生した熱の伝熱が確保できるとともに、高温動作した場合にも、銅めっき電極２３ａの焼結銀接合層４との界面部分の粒界すべりを抑制して、電力用半導体素子１と回路基板２との接合を長期間維持することができる電力用半導体装置を得ることができる。
【００４２】
また、本実施の形態１にかかる電力用半導体装置の製造方法によれば、回路基板２の銅めっき電極２３ａの接合面ＰＢの所定範囲（パターン）に焼結性銀粒子接合材４Ｐを塗布する工程と、焼結性銀粒子接合材４Ｐの塗布面に電力用半導体素子１を載置する工程と、電極（銅めっき電極２３ａ）の焼鈍温度より低い温度で焼結性銀粒子接合材４Ｐ中の銀粒子を焼結させ、電力用半導体素子１を回路基板２に接合する工程と、を含むようにしたので、銅めっき電極２３ａの硬度を維持し、界面部分の粒界すべりを抑制して、電力用半導体素子１と回路基板２との接合を長期間維持することができる電力用半導体装置を得ることができる。
【００４３】
実施の形態２．
上記実施の形態１においては、電力用半導体素子と接合する電極の全厚みをめっきで形成する例について説明した。本実施の形態２においては、硬度を保持する必要のある厚みを特定し、硬度の必要な電力用半導体素子との接合面ＰＢから所定深さの厚み分をめっきで形成し、絶縁基板側の部分は、硬度を限定しない銅板（ろう付け）で形成するようにした。他の構成については、実施の形態１と同様である。
【００４４】
図６は、本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置と回路基板について説明するためのもので、電力用半導体装置の部分断面図である。本実施の形態２にかかる電力用半導体装置においては、実施の形態１に対して回路基板２０２の構成のみ異なるので、電力用半導体素子１や焼結銀接合層４を形成する銀ナノペースト４Ｐ、および電力用半導体装置全体についての説明は省略する。
【００４５】
＜回路基板＞
電極付絶縁基板である回路基板２０２は絶縁基板（窒化珪素）２１の両面に、それぞれ下地として厚さ５００μｍの銅板２６Ｂａ、２６Ｂｂ（まとめて下地銅板２６Ｂ）をろう材２４ａ、２４ｂ（まとめてろう材２４）で接合し、さらに、下地銅板２６Ｂの上に、厚さ５０μｍ以上の銅めっき層２６Ｐａ、２６Ｐｂ（まとめて銅めっき層２６Ｐ）を形成したものである。つまり、回路基板２０２の両面にそれぞれ形成された銅電極２６ａ、２６ｂ（まとめて銅電極２６）は、硬度を特定しない下地銅板２６Ｂ上に所定以上の硬度（７０ＨＶ）を有する銅めっき層２６Ｐが所定厚さ以上形成されているものである。
【００４６】
この、銅めっき層２６Ｐの厚み（厳密には電力用半導体素子１との接合面ＰＢにおいて、７０ＨＶ以上の硬度を有する厚み）を５０μｍ以上とすると、下地銅板２６Ｂの硬度に関係なく、焼結銀接合層４との界面における粒界すべりを抑制して、縦クラックの発生を防止し、密着強度を高めることができる。つまり、銅めっき層２６Ｐの厚みを５０μｍ以上にすると、下地銅板２６Ｂの結晶としての脆弱性の接合面ＰＢへの影響を排除し、接合強度を高く保つことができる。また、銅めっき層２６Ｐの厚みを１００μｍ以上とすると、さらに信頼性を向上することができる。銅電極としての厚みの好適範囲の下限は、実施の形態１と同様の１５０μｍであるが、上限値は、下地銅板２６Ｂの厚み分、さらに厚くなってもよい。なお、銅めっき層２６Ｐの厚さは、下地銅板２６Ｂの厚さより厚くなってもよい。
【００４７】
回路基板２０２の製造方法について説明する。２０ｍｍ角、厚さ１．０ｍｍの窒化珪素からなる絶縁基板２１の両面のそれぞれに、銀ロウを用いて１８ｍｍ角、厚さ５００μｍの下地銅板２６Ｂａ、２６Ｂｂを接合温度７００℃で接合する。そして、接合した下地銅板２６Ｂ上に、５０μｍ厚の銅めっき層２６Ｐを形成する。
【００４８】
銅電極２６の厚み（厳密には導電部材としての厚み）は、１５０μｍ以上の範囲が好適である。銅電極２６の厚みを１５０μｍ以上に保つことにより、大電流に伴って発生する熱を効率よく放熱することができる。そして、銅電極２６のうち、電力用半導体素子１との接合面ＰＢ側に形成された銅めっき層２６Ｐについては、後述するように７０ＨＶ以上の硬度を確保する部分として５０μｍ以上の厚みを確保する必要がある。なお、本実施の形態２のように、銅電極２６として必要な厚みのほとんどを下地銅板２６Ｂにより稼いだので、銅めっき層２６Ｐの厚みは、５０μｍ程度でよい。そのため、めっき直後の銅電極２６の面は、電力用半導体素子１との接合上、十分精度が確保されており、実施の形態１のように研磨して面精度を出す必要はない。なお、本実施の形態２においても、実効上は銅めっき層２６Ｐの硬度は７０ＨＶ以上で十分であるが、製作精度の観点から、マージンをとって、１００ＨＶ以上に保つことが望ましい。
【００４９】
銅めっき層２６Ｐを形成する際のめっき浴は、実施の形態１と同様に、硫酸銅と硫酸から構成されるＰＨ１．０のハイスロー浴を用いた。そして、直流電源（北斗電工：電気化学測定システムＨＺ−５０００）を用い、電流密度１．０Ａ／ｄｍ2、浴温２５℃の条件で、定電流電解法により銅めっき層２６Ｐを形成した。また、この銅めっき層２６Ｐの硬度を上げるためには、メッキ液にチオ尿素誘導体等の硬質化剤を加えることが望ましい。７０ＨＶ以上の硬度が得られる上述しためっき浴に限らず、ピロリン酸銅、ホウフッ化銅、シアン化銅などの浴を用いてもよい。
【００５０】
上記のように形成した回路基板２０２に電力用半導体素子１を接合する方法については、実施の形態１と同様であり、図３を用い、名称や符号等を読み替えて説明する。
図３（ａ）に示すように、銅電極２６ａの表面に、６ｍｍ角の開口ＯM4で、厚さ０．２ｍｍのステンレスマスクＭ４を用いて、開口部分ＯM4に銀ナノペースト４Ｐを印刷する。そして、図３（ｂ）に示すように、印刷した銀ナノペースト４Ｐの表面に、位置を合わせて電力用半導体素子１を載置して、仮接合体となす。つぎに、仮接合体に１００℃、１０ｍｉｎ間のプリヒート処理を行った後、５ＭＰａの加圧をしながら、３５０℃まで昇温する。３５０℃に到達してから、５分間保持することにより、銀ナノペーストが含有する銀ナノ粒子（微粒子）の表面を覆っていた有機物が分解され、露出した微粒子同士が焼結し、図３（ｂ）に示すように銀の焼結接合層４が形成される。その後、空冷させることにより、回路基板２０２に電力用半導体素子１との接合体を得た。その後、上述したようにベース板３やリード板６をさらに接合することにより、図６に示すような電力用半導体装置を得ることができる。銀ナノペースト４Ｐとしては、例えば、ＤＯＷＡ社製造Ｔ２Ｗ−Ａ２を用いることができる。上記加熱接合は、接合装置（アスリートＦＡ：加熱圧着ユニット）を用いて行った。
【００５１】
次に、本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置における電力用半導体素子１と回路基板２０２との接合信頼性を評価するため、本実施の形態に準じた接合体のサンプル（実施例）と、従来の回路基板に相当する接合体（比較例）のサンプルで密着強度を比較する実験を行った。
【００５２】
＜サンプル＞
比較例のサンプル（接合体）は、実施の形態１における比較例と同様に、回路基板としては、２０ｍｍ角、厚さ１．０ｍｍの窒化珪素からなる絶縁基板２１の両面に、１８ｍｍ角、厚さ５００μｍの銅板２５を、ろう材２４で接合したものを使用した。接合方法（接合体の製造方法）は、本実施の形態１および２と同様である。実施例サンプルとして３個（ＳＥ２−１〜ＳＥ２−３）、および比較例サンプルとして３個（ＳＣ２−１〜ＳＣ２−３）ずつ作製した。
【００５３】
＜密着強度比較試験＞
このように構成された接合体のサンプルを、実施の形態１における密着強度比較試験と同様に、ヒートショック試験機（エスペック社：冷熱衝撃試験機ＴＳＡ−１０１Ｓ−Ｗ）に投入し、−４０℃〜２００℃（１サイクル−４０℃：３０分保持／２００℃：３０分保持）の処理条件で行った。２００サイクルごとにシェア測定器（Ｄａｇｅ社：シェア測定器ＨＳ４０００）による密着強度測定を行った。密着強度判定も、同様に、３０ｋｇｆ／チップ以上かけてもはがれない場合を密着性異常なしとし、３０ｋｇｆ／チップ未満ではがれた場合を強度低下有りとした。なお、ビッカース硬さ試験器（ミツトヨ：ＭＶＫ−Ｈ２）を用い、実施例の銅電極２６ａと、比較例の銅板電極２５ａの表面の硬度を測定荷重１００ｇ、測定時間１０秒の条件で測定した。接合前における実施例サンプルの銅めっき電極２３ａの硬度は７０ＨＶ、比較例サンプルの銅板電極２５ａの硬度は３０ＨＶであった。
【００５４】
表２に、密着強度比較試験結果を示す。表中、○は密着性異常なし、×は強度低下有りを示す。
【００５５】
【表２】
0005627789.tif 000003
【００５６】
表２に示すように、本実施例の銅めっき層２６Ｐを有するサンプルでは、１０００サイクル経過しても、密着性異常が発生せず、密着強度低下が見られなかった。一方、比較例のろう付けした銅板電極２５ａを有するサンプルでは、４００サイクルまでに密着性異常が発生し、密着強度が低下していることが確認できた。
【００５７】
上記密着強度比較試験後における実施例サンプルと比較例サンプルの状態を比較するため、実施の形態１と同様に、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡（日本電子：ＪＸＡ−８５３０Ｆ））を用いてそれぞれの断面を観察した。その結果、本実施の形態２においても、銅電極２６のうち、銅めっき層２６Ｐの電力用半導体素子１との接合面ＰＢには、粒界すべりは認められず、接合部である焼結銀接合層４内にも縦割れは見られなかった。一方、比較例サンプルで、４００サイクル経過後に密着強度が低下した接合体の断面観察では、銅板電極２５ａの電力用半導体素子１との接合面ＰＢには、粒界すべりがあり、これを起点として、焼結銀接合層４内に縦割れＣＶを起こしていた。
【００５８】
つぎに、所定（７０ＨＶ）以上の硬度を有する部分の厚みの下限値を調べるため、銅めっき層２６Ｐの厚みをパラメータとしてサンプルを作成し、上述した密着強度比較試験のようにヒートショック試験を行い、密着強度を維持できるサイクル数を調べた。
【００５９】
各サンプル（接合体）は、回路基板としては、２０ｍｍ角、厚さ１．０ｍｍの窒化珪素からなる絶縁基板２１の両面に、銅下地として１８ｍｍ角、厚さ５００μｍの銅板２６Ｂを、ろう材２４で接合し、さらにその上に種々の厚みの銅めっき層２６Ｐを形成した。接合方法（接合体の製造方法）は、本実施の形態１および２と同様である。厚みの異なるサンプルとして、比較例に相当するめっき厚みがそれぞれ２５μｍ、４０μｍ、４５μｍのＳＰＴ１〜３、および実施例に相当するめっき厚みがそれぞれ５０、５５、６０、１００、１５０μｍのＳＰＴ４〜８の計８種類のサンプルを、それぞれ３個ずつ作製した。各サンプルの銅めっき層２６Ｐ部分のビッカース硬さは７０ＨＶになるように調整した。
【００６０】
表３に、密着強度比較試験結果を示す。表中、○は密着性異常なし、×は強度低下有りを示す。
【００６１】
【表３】
0005627789.tif 000004
【００６２】
表３に示すように、銅めっき層２６Ｐの厚みを厚くしていくと密着強度が保たれる試験サイクル回数が増加する。そして、銅めっき層２６Ｐの厚みを５０μｍ以上とすると、２０００回のサイクル後も強度が十分保たれることがわかった。一方、５０μｍ未満の場合、厚みが薄いほど、密着強度に異常が出るサイクル数が短くなるとともに、テスト結果にもばらつきが生じやすくなり、接合性が不安定になっていくことがわかった。
【００６３】
以上のように、本実施の形態２にかかる回路基板２０２によれば、焼結性銀粒子接合材４Ｐを用いた（または、焼結銀接合層４を介した）電力用半導体素子１との接合面ＰＢを有する回路基板２０２であって、絶縁基板２１と、絶縁基板２１の一方の面（電力用半導体素子１を接合する側の面）に設けられ、当該面と同じ向きに電力用半導体素子１との接合面ＰＢが形成された電極である銅電極２６ａと、を備え、銅電極２６ａは１５０μｍ以上の厚みを有し、前記厚みのうち、少なくとも電力用半導体素子１との接合面ＰＢから絶縁基板２１に向かう５０μｍの深さまでの部分である銅めっき層２６Ｐは、ビッカース硬さ７０ＨＶ以上の硬度を有しているように構成したので、電力用半導体素子１の動作に必要な大電流の導通および動作に伴い発生した熱の伝熱が確保できるとともに、高温動作した場合にも、銅電極２６ａの焼結銀接合層４との界面部分の粒界すべりを抑制して、電力用半導体素子１と回路基板２０２との接合を長期間維持することができる。
【００６４】
また、本実施の形態２においても、実施の形態１と同様に接合信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができる。
【００６５】
また、本実施の形態２にかかる回路基板２０２の製造方法によれば、絶縁基板２１の少なくとも電力用半導体素子１を接合する側の面である一方の面に銅下地として１００μｍ以上の厚みを有する所定形状の銅板２６Ｂａを接合する工程と、接合された銅板２６Ｂａの表面に５０μｍ以上の厚みの銅めっきを行う、つまり銅めっき層２６Ｐを形成し、電力用半導体素子１との接合面ＰＢ（を有する電極２６ａ）を形成する工程と、を含むように構成したので、所望厚みを有するとともに、前記所定厚みのうちの接合面ＰＢから必要な深さ範囲の硬度を所定に保つ銅電極２６ａを容易に形成することができる。
【００６６】
また、接合面ＰＢ側の厚さ５０μｍ以上の部分をめっきにより形成するようにしたので、少なくとも接合面ＰＢから絶縁基板２１に向かう５０μｍの深さまでの部分の硬度を容易に所定以上に調整することができる。さらに、銅めっき層２６Ｐａの厚みを５０μｍ程度に設定したことで、機械研磨（切削）なしでも接合面ＰＢに必要とされる面精度を容易に確保することができる。ただし、当然のことながら、銅めっき層２６Ｐａにさらに面精度を上げるための研磨をすることを妨げるものではない。
【００６７】
実施の形態３．
なお、上記実施の形態２の銅電極２６ａでは、絶縁基板２１の側の銅板２６Ｂａの硬度はろう付けにより焼鈍されているため、電力用半導体素子１の側の銅めっき層２６Ｐａの硬度よりも小さくなる。このように銅電極２６ａはその硬度が絶縁基板２１の側で小さくなるように深さ方向に硬度の分布を有するようにしてもよい。例えば、厚み方向の全範囲にわたって硬度を一律にして、絶縁基板２１の側の硬度が大きくなると、冷熱衝撃が加わった場合に絶縁基板２１のセラミック部分にクラックが発生する場合がある。しかし、実施の形態２の銅電極２６ａのように、絶縁基板２１側の硬度が電力用半導体素子１側の硬度よりも小さい電極を使用した場合、クラックの発生が減少することがわかった。硬度が小さい部分で応力緩和が起こるものと考えられる。
【００６８】
そこで、本実施の形態３にかかる電力用半導体装置では、回路基板２における銅電極を電力用半導体素子１との接合面ＰＢ側の硬度よりも、絶縁基板２１側の硬度が小さくなるように構成した。そして、本実施の形態３にかかる電力用半導体装置の効果を検証するため、以下のような評価を行った。
【００６９】
絶縁基板２１側の硬度やその硬度を有する部分の厚み等を正確に再現するため、実施の形態１に示した電極構造と同様に、絶縁基板２１側の電極材料としてスパッタ膜２２ａの硬度と厚み、電力用半導体素子１側の電極材料として銅めっき電極２３ａの硬度と厚みをパラメータとして評価を実施した。つまり銅めっき電極２３ａ／スパッタ膜２２ａ/ＳｉＮ（絶縁基板）２１/スパッタ膜２２ｂ／銅めっき電極の構成で評価を行った。
【００７０】
絶縁基板２１側の電極材料としてのスパッタ膜２２ａの厚みを１０μｍとして、スパッタ膜のビッカース硬度（３０、４０、５０、６０、７０ＨＶ）、銅めっき電極の厚さ（５０、１００、２００μｍ）と硬度（７０、８０、９０、１００ＨＶ）をパラメータとして実施の形態１や２の実施例のように接合体のサンプルを試作した。このように構成した接合体のサンプルを−４０℃〜２００℃（１サイクル−４０℃：３０分保持／２００℃：３０分保持）の条件で１０００サイクル処理した後、セラミックであるＳｉＮにクラックが発生するかどうかについて確認した。その試験結果を表４に示す。表中、○はクラック発生なし、×はクラック発生有りを示す。
【００７１】
【表４】
0005627789.tif 000005
【００７２】
表４に示すように、電力用半導体素子１側の銅めっき電極２３ａ（表では、ひとつの電極の中の層として、「銅めっき層」と表示）の厚みや硬度によらず、スパッタ膜２２ａのビッカース硬度が、３０から５０ＨＶのサンプルでは、クラック発生がないことを確認した。一方、６０ＨＶより大きいものでは、クラック発生が認められた。つまり、絶縁基板２１側の電極材料の硬度を５０ＨＶ以下にすることにより、ヒートサイクル時に発生する絶縁基板２１と電極との間の応力が緩和されたため、クラック発生を防止できたと考えられる。また、スパッタ膜の厚みを５μｍまで薄くして同様の試験を行った結果を表５に示す。
【００７３】
【表５】
0005627789.tif 000006
【００７４】
表５に示すように、スパッタ膜２２ａの厚みを５μｍと薄くしても、つまり、硬度の低い部分の厚みを５μｍまで薄くしても、ビッカース硬度を５０ＨＶ以下に下げることで、クラック発生を防止できることが分かった。なお、これ以上スパッタ膜２２ａの厚みを薄くすると、硬度を正確に測定することができなくなるが、クラック発生を防止する効果があることは確認できた。
【００７５】
さらに、上記サンプルで密着強度についても評価したところ、少なくとも接合面ＰＢ側から深さ５０μｍまでの範囲の硬度が７０ＨＶ以上で、絶縁基板２１側の硬度を５０ＨＶ以下にすれば、電極の総厚みが１５０μｍ以下でも、密着強度を保つことができることが確認できた。つまり、接合面ＰＢ側から深さ５０μｍまでの範囲の硬度が７０ＨＶ以上で、絶縁基板２１側の硬度を５０ＨＶ以下にすれば、電極層厚みに関わらず、クラック発生を防止し、密着強度を保つことができることが分かった。
【００７６】
なお、本実施の形態３は、上述したように実施の形態２の構成に特有の現象である、銅板２６Ｂの硬度が下がることから見出し、その効果を検証するために、硬度の制御が容易なスパッタ膜２２ａを利用して試験評価を行ったものである。そのため、実施の形態２の構成で接合面ＰＢ側から深さ５０μｍまでの範囲（２６Ｐ）の硬度は７０ＨＶ以上とし、絶縁基板２１側（２６Ｂ）の硬度が積極的に５０ＨＶ以下になるようにすれば、上述した効果を得ることができるのは言うまでもない。
【００７７】
実施の形態４．
一方、実施の形態１のような構成であっても、絶縁基板２１側の層を硬度が低くなるめっき条件で形成し、電力用半導体素子１側の層をメッキ液に硬化剤を加えるなどして硬度が高くなるめっき条件で形成しても同様な効果が得られるはずである。
【００７８】
そこで、本実施の形態４にかかる電力用半導体装置の効果を検証するため、以下のような評価を行った。
【００７９】
絶縁基板２１側の電極材料として厚み１００μｍの銅めっき層のビッカース硬度（３０、４０、５０、６０、７０ＨＶ）、電力用半導体素子１側の銅めっき層の厚さ（５０、１００μｍ）と硬度（７０、８０、９０、１００ＨＶ）をパラメータとして実施の形態１や２の実施例のように接合体のサンプルを試作した。このように構成した接合体のサンプルを−４０℃〜２００℃（１サイクル−４０℃：３０分保持／２００℃：３０分保持）の条件で１０００サイクル処理した後、セラミックであるＳｉＮにクラックが発生するかどうかについて確認した。その試験結果を表６に示す。表中、○はクラック発生なし、×はクラック発生有りを示す。
【００８０】
【表６】
0005627789.tif 000007
【００８１】
表６に示すように、電力用半導体素子１側の銅めっき層の厚みや硬度によらず、絶縁基板２１側の銅めっき層のビッカース硬度が、３０から５０ＨＶのサンプルでは、クラック発生がないことを確認した。一方、６０ＨＶより大きいものでは、クラック発生が認められた。つまり、絶縁基板２１側の電極材料の硬度を５０ＨＶ以下にすることにより、ヒートサイクル時に発生する絶縁基板２１と電極との間の応力が緩和されたため、クラック発生を防止できたと考えられる。また、絶縁基板２１側の銅めっき層の厚みを２００μｍ、３００μｍにした場合に同様の試験を行った結果をそれぞれ表７、表８に示す。
【００８２】
【表７】
0005627789.tif 000008
【００８３】
【表８】
0005627789.tif 000009
【００８４】
表７、表８に示すように、絶縁基板２１側の銅めっき層の厚みを２００μｍ、３００μｍと厚くしても、つまり、硬度の低い部分の厚みを３００μｍまで厚くしても、ビッカース硬度を５０ＨＶ以下に下げることで、クラック発生を防止できることが分かった。したがって、実施の形態３における評価結果と合わせると、硬度の低い部分の厚みに関わらず、ビッカース硬度を５０ＨＶ以下に下げることで、クラック発生を防止できることが分かった。
【００８５】
以上のように、上記実施の形態１〜４にかかる半導体装置によれば、セラミック材料で構成された絶縁基板２１の一方の面に、銅材料で構成された電極（例えば、２２、２３、２６の組み合わせ）が設けられた回路基板２と、電極に焼結性銀粒子接合材４Ｐを用いて接合された半導体素子である電力用半導体素子１と、を備え、電極は、電力用半導体素子１との接合面ＰＢから絶縁基板２１に向かう５０μｍの深さまでの部分（例えば、２３、２６Ｐ、２６Ｐのうち硬度が高くなるように形成した層）が、ビッカース硬さ７０ＨＶ以上の硬度を有し、かつ、絶縁基板２１側の部分（例えば、２２、２６Ｂ、２６Ｐのうち硬度が低くなるように形成した層）のビッカース硬さが５０ＨＶ以下であるように構成したので、高温動作した場合にも、クラックの発生を防止し、密着性を保持することにより、電力用半導体素子１と回路基板２との接合を長期間維持できる半導体装置を得ることができる。
【００８６】
また、上記実施の形態１、４にかかる半導体装置の製造方法によれば、セラミック材料で構成された絶縁基板２１の少なくとも一方の面の所定範囲に、スパッタにより金属薄膜２２を形成する工程と、金属薄膜２２上に、ビッカース硬度が５０ＨＶ以下となるように第１の銅のめっき層を形成する工程と、第１の銅のめっき層の上に、５０μｍ以上の厚みで、ビッカース硬度が７０ＨＶ以上となるように第２の銅のめっき層を形成し、半導体素子との接合面ＰＢを有する電極を形成する工程と、電極の接合面に、焼結性銀粒子接合材４Ｐを用いて半導体素子である電力用半導体素子１を接合する工程と、を含むように構成したので、上述した半導体装置を容易に製造することができる。
【００８７】
また、上記実施の形態２、３にかかる半導体装置の製造方法によれば、セラミック材料で構成された絶縁基板２１の少なくとも一方の面に、少なくとも前記絶縁基板２１側の部分の接合後のビッカース硬度が５０ＨＶ以下となるように所定形状の銅板２６Ｂを接合する工程と、絶縁基板２１に接合された銅板２６Ｂの表面に銅めっきを行い、５０μｍ以上の厚みでビッカース硬度が７０ＨＶ以上となるように半導体素子との接合面ＰＢを有する電極２６を形成する工程と、電極２６の接合面ＰＢに、焼結性銀粒子接合材４Ｐを用いて半導体素子である電力用半導体素子１を接合する工程と、を含むように構成したので、上述した半導体装置を容易に製造することができる。
【００８８】
なお、上記各実施の形態では、スイッチング素子にＩＧＢＴを使用した場合を示したが、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor  Field-Effect  Transistor）を使用してもよい。また、ワイドバンドギャップ半導体素子材料として、炭化珪素以外に窒化ガリウム（ＧａＮ）、ガリウムヒ素、またはダイヤモンドといった材料を用いてもよい。
【００８９】
また、上記各実施の形態においては、整流素子（ダイオード）やスイッチング素子（トランジスタ）として機能する電力用半導体素子１には、炭化ケイ素によって形成されたいわゆるワイドバンドギャップ半導体素子の例を示したが、これに限られることはなく、ケイ素（Ｓｉ）で形成されたものであってもよい。しかし、上述したようにケイ素よりもバンドギャップが大きい、いわゆるワイドギャップ半導体を形成できる炭化ケイ素や、窒化ガリウム系材料、ガリウムヒ素、又はダイヤモンドを用いた時の方が、動作温度域が高いので、本発明による効果をより一層発揮することができる。
【符号の説明】
【００９０】
１  電力用半導体素子（半導体素子）、
２  回路基板（電極付絶縁基板）、
３  ベース板、
４  焼結金属結合層、
４Ｐ  焼結性銀粒子接合材（銀ナノペースト）、
５  接合材（はんだ）、
６  リード（配線材）、
７  接合材（はんだ）、
１１  半導体チップ（半導体基板）、
１２  金属シリサイド、
１３  第１金属層、
１４  第２金属層、
２１  絶縁基板、
２２  スパッタ膜（金属薄膜）、
２３  銅めっき電極（電極）、
２４  接合材（ろう材）、
２６  銅電極（２６Ｂ：下地銅板、２６Ｐ：銅めっき層）、
ＰＢ  接合面、
百位の数字は実施の形態による違いを示す。
【図１】
0005627789.tif 000010
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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